В компьютерной графике и цифровой фотографии растровая графика представляет собой двухмерное изображение в виде прямоугольной матрицы или сетки пикселей , доступное для просмотра на дисплее компьютера , бумаге или другом носителе изображения. Растр технически характеризуется шириной и высотой изображения в пикселях и количеством бит на пиксель . [ нужна цитация ] Растровые изображения хранятся в файлах изображений с различными форматами распространения , производства , генерации и приобретения .
В полиграфической и допечатной отраслях растровую графику называют контонами (от непрерывных тонов ). Напротив, в цифровых системах штриховая графика обычно реализуется в виде векторной графики . [1]
Многие растровые манипуляции напрямую связаны с математическими формализмами линейной алгебры , где математические объекты матричной структуры имеют центральное значение.
Слово «растр» происходит от латинского rastrum (грабли), которое происходит от слова radere (царапать). Он возникает из-за растрового сканирования видеомониторов с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) , которые рисуют изображение построчно, магнитно или электростатически управляя сфокусированным электронным лучом . [2] По ассоциации это также может относиться к прямоугольной сетке пикселей. Слово «раструм» теперь используется для обозначения устройства для рисования линий музыкального нотного стана.
Фундаментальная стратегия, лежащая в основе модели растровых данных, — это мозаика плоскости в двумерный массив квадратов, каждый из которых называется ячейкой или пикселем ( от «элемент изображения»). В цифровой фотографии плоскость — это поле зрения , проецируемое на датчик изображения ; в компьютерном искусстве плоскость — виртуальное полотно; В географических информационных системах плоскость — это проекция поверхности Земли. Размер каждого квадратного пикселя, известный как разрешение или поддержка , постоянен по всей сетке. Растровые данные или данные с координатной сеткой могут быть результатом процедуры привязки к координатной сетке .
Затем для каждого пикселя сохраняется одно числовое значение. Для большинства изображений это значение представляет собой видимый цвет, но возможны и другие измерения, даже числовые коды для качественных категорий. Каждая растровая сетка имеет определенный формат пикселей — тип данных для каждого числа. Распространенными форматами пикселей являются двоичный , полутоновый , палитрированный и полноцветный , где глубина цвета [3] определяет точность представленных цветов, а цветовое пространство определяет диапазон цветового охвата (который часто меньше полного диапазона цветовое зрение человека ). Большинство современных форматов цветных растров представляют цвет с использованием 24 битов (более 16 миллионов различных цветов) с 8 битами (значения 0–255) для каждого цветового канала (красного, зеленого и синего). Цифровые датчики, используемые для дистанционного зондирования и астрономии , часто способны обнаруживать и сохранять длины волн за пределами видимого спектра ; большой растровый ПЗС- датчик в обсерватории Веры К. Рубин захватывает 3,2 гигапикселя в одном изображении (6,4 ГБ в необработанном виде) по шести цветовым каналам , что превышает спектральный диапазон цветового зрения человека.
Большинство компьютерных изображений хранятся в форматах растровой графики или в сжатых вариантах, включая GIF , JPEG и PNG , которые популярны во Всемирной паутине . [3] [4] Структура растровых данных основана на (обычно прямоугольной или квадратной) мозаике 2D- плоскости на ячейки, каждая из которых содержит одно значение. Чтобы сохранить данные в файле, двумерный массив необходимо сериализовать. Самый распространенный способ сделать это — формат с разбивкой по строкам , в котором ячейки первой (обычно верхней) строки перечисляются слева направо, за ними сразу следуют ячейки второй строки и так далее.
В примере справа ячейки тесселяции A накладываются на шаблон точек B, в результате чего получается массив C счетчиков квадрантов, представляющий количество точек в каждой ячейке. В целях визуализации справочная таблица использовалась для раскрашивания каждой ячейки изображения D. Вот числа в виде последовательного массива строк:
1 3 0 0 1 12 8 0 1 4 3 3 0 2 0 2 1 7 4 1 5 4 2 2 0 3 1 2 2 2 2 3 0 5 1 9 3 3 3 4 5 0 8 0 2 4 3 2 8 4 3 2 2 7 2 3 2 10 1 5 2 1 3 7
Чтобы восстановить двумерную сетку, файл должен включать раздел заголовка в начале, который содержит как минимум количество столбцов и тип данных пикселя (особенно количество бит или байтов на значение), чтобы читатель знал, где заканчивается каждое значение. чтобы начать читать следующую. Заголовки также могут включать количество строк, параметры пространственной привязки для географических данных или другие теги метаданных , например те, которые указаны в стандарте Exif .
Растровые сетки высокого разрешения содержат большое количество пикселей и, следовательно, потребляют большой объем памяти. Это привело к появлению множества подходов к сжатию объема данных в файлы меньшего размера. Наиболее распространенная стратегия — искать закономерности или тенденции в значениях пикселей, а затем сохранять параметризованную форму шаблона вместо исходных данных. Общие алгоритмы сжатия растра включают кодирование длин серий (RLE), JPEG , LZ (основа PNG и ZIP ), Лемпеля-Зива-Уэлча (LZW) (основа GIF ) и другие.
Например, кодирование длины прогона ищет повторяющиеся значения в массиве и заменяет их значением и количеством раз, которое оно появляется. Таким образом, растр выше будет представлен как:
Этот метод очень эффективен, когда имеются большие области с одинаковыми значениями, например, при рисовании линий, но на фотографии, где пиксели обычно немного отличаются от своих соседей, файл RLE будет вдвое больше оригинала.
Некоторые алгоритмы сжатия, такие как RLE и LZW, работают без потерь , при этом исходные значения пикселей могут быть идеально восстановлены из сжатых данных. Другие алгоритмы, такие как JPEG, работают с потерями , поскольку параметризованные шаблоны являются лишь приближением исходных значений пикселей, поэтому последние можно оценить только на основе сжатых данных.
Векторные изображения (линейная работа) могут быть растеризованы (преобразованы в пиксели), а растровые изображения векторизованы (растровые изображения преобразованы в векторную графику) с помощью программного обеспечения. В обоих случаях некоторая информация теряется, хотя некоторые операции векторизации могут воссоздать важную информацию, как в случае оптического распознавания символов .
Ранние механические телевизоры , разработанные в 1920-х годах, использовали принципы растеризации. Электронное телевидение на основе дисплеев с электронно-лучевой трубкой имеет растровую развертку , при этом горизонтальные растры окрашиваются слева направо, а растровые линии — сверху вниз.
Современные плоские дисплеи, такие как светодиодные мониторы, по-прежнему используют растровый подход. Каждый экранный пиксель напрямую соответствует небольшому количеству битов в памяти. [5] Экран обновляется простым сканированием пикселей и их раскрашиванием в соответствии с каждым набором битов. Процедура обновления, поскольку она критична к скорости, часто реализуется специальной схемой, часто как часть графического процессора .
При таком подходе компьютер содержит область памяти, в которой хранятся все данные, которые необходимо отобразить. Центральный процессор записывает данные в эту область памяти, а видеоконтроллер собирает их оттуда. Биты данных, хранящиеся в этом блоке памяти, связаны с конечным набором пикселей, которые будут использоваться для построения изображения на дисплее. [6]
Первый сканированный дисплей с растровой компьютерной графикой был изобретен в конце 1960-х годов А. Майклом Ноллом в Bell Labs [7] , но заявка на его патент, поданная 5 февраля 1970 года, была отклонена Верховным судом в 1977 году по вопросу патентоспособности. компьютерного программного обеспечения. [8]
В 1970-х и 1980-х годах перьевые плоттеры с векторной графикой были обычным явлением для создания точных рисунков, особенно на бумаге большого формата. Однако с тех пор почти все принтеры создают печатное изображение в виде растровой сетки, включая как лазерные , так и струйные принтеры. Если исходная информация является векторной, для создания растрового изображения используются спецификации рендеринга и программное обеспечение, такое как PostScript .
Трехмерная воксельная растровая графика используется в видеоиграх, а также в медицинских визуализациях, таких как МРТ-сканеры . [9]
Географические явления обычно представляются в ГИС в растровом формате . Растровая сетка имеет географическую привязку , так что каждый пиксель (обычно называемый ячейкой в ГИС, поскольку «изображение» в слове «пиксель» не имеет значения) представляет собой квадратную область географического пространства. [10] Значение каждой ячейки представляет собой некоторое измеримое ( качественное или количественное ) свойство этой области, обычно концептуализируемое как поле . Примеры полей, обычно представленных в растрах, включают: температуру, плотность населения, влажность почвы, растительный покров, высоту поверхности и т. д. Для получения значений ячеек из поля используются две модели выборки: в решетке значение измеряется в центральной точке. каждой ячейки; в сетке значение представляет собой сводку (обычно среднее значение или режим) значения по всей ячейке.
Растровая графика зависит от разрешения, то есть ее нельзя масштабировать до произвольного разрешения без потери видимого качества . Это свойство контрастирует с возможностями векторной графики , которые легко масштабируются в соответствии с качеством устройства, отображающего их. Растровая графика более практична, чем векторная графика, с фотографиями и фотореалистичными изображениями, тогда как векторная графика часто лучше подходит для набора текста или графического дизайна . Современные компьютерные мониторы обычно отображают от 72 до 130 пикселей на дюйм (PPI), а некоторые современные потребительские принтеры могут разрешать 2400 точек на дюйм (DPI) или более; определение наиболее подходящего разрешения изображения для данного разрешения принтера может вызвать трудности, поскольку напечатанный результат может иметь более высокий уровень детализации, чем зритель может различить на мониторе. Обычно разрешение от 150 до 300 точек на дюйм хорошо подходит для 4-цветной печати ( CMYK ).
Однако для технологий печати, которые выполняют смешивание цветов посредством сглаживания ( полутонов ), а не посредством наложения печати (практически все домашние/офисные струйные и лазерные принтеры), DPI принтера и PPI изображения имеют совершенно другое значение, и это может вводить в заблуждение. Поскольку в процессе сглаживания принтер создает один пиксель изображения из нескольких точек принтера для увеличения глубины цвета , настройку DPI принтера необходимо установить намного выше желаемого PPI, чтобы обеспечить достаточную глубину цвета без ущерба для разрешения изображения. Так, например, для печати изображения с разрешением 250 точек на дюйм может фактически потребоваться настройка принтера на 1200 точек на дюйм. [11]
Редакторы растровых изображений, такие как PaintShop Pro , Corel Painter , Adobe Photoshop , Paint.NET , Microsoft Paint и GIMP , основаны на редактировании пикселей , в отличие от векторных редакторов изображений, таких как Xfig , CorelDRAW , Adobe Illustrator или Inkscape. , которые связаны с редактированием линий и фигур ( векторов ). Когда изображение визуализируется в растровом редакторе изображений, оно состоит из миллионов пикселей. По своей сути редактор растровых изображений манипулирует каждым отдельным пикселем. [4] Большинство пиксельных редакторов изображений работают с использованием цветовой модели RGB , но некоторые также позволяют использовать другие цветовые модели, такие как цветовая модель CMYK . [12]
Количество битов, отведенных отдельному пикселю, определяет количество цветов, которые можно назначить этому пикселю.
Например, если каждый пиксель представлен 4 битами, то данному пикселю можно присвоить один из 16 различных цветов (2^4 = 16).
Растровые изображения создаются с помощью программ на основе пикселей или захватываются камерой или сканером.
В целом они более распространены, например jpg, gif, png, и широко используются в Интернете.
Если люди собираются видеть это на мониторе компьютера, выберите RGB.
Если вы печатаете, используйте CMYK.
(Совет. В Adobe® Photoshop® вы можете выбирать между цветовыми каналами RGB и CMYK, перейдя в меню «Изображение» и выбрав «Режим».)